考虑人体呼吸道病变及生物特性影响的可吸入颗粒物沉积特性研究

This research is proposed to study the effect of the structural variation of the biological tissue from human respiratory tract on the deposition characteristics of inhalable particulate matter, investigate the flow behavior in an obstructed airway caused by studying the pathological changes of the respiratory tract tissue, like the local tumor. This project will focus on the effect of biology characteristics of the pulmonary airway, like ring wall characteristics, wall creeping and secretion properties on the deposition process. A coupled gas/solid flow model will be proposed to study the inhaled particles deposition quantitatively under different ambient conditions. Based on the previous geometric model database of the tomography reconstruction, a more realistic computational model will be built including organism details of the small bronchi and wall characteristics. With this gas/solid flow model, the particle deposition will be studied under different specified ambient conditions, such as the downtown region with high concentration of vehicle exhaust, the nuclear pollution area with high airborne particles concentration, or the good environment with high air quality. The simulation results will then be compared with experimental study from PET and PIV measurements.This research can provide basis for new technologies such as manual intervention of the distribution of inhaled particles, imaging technology of respiratory tract, calibration of specific areas in respiratory tract, and will be very important to the pathogenesis, early diagnosis and control of the respiratory disease.

本项目拟研究可吸入颗粒物在人体呼吸道生物组织结构异变情况下的沉积特性，研究呼吸道组织病变后，如产生局部肿瘤，导致呼吸阻塞时呼吸道内部的流动和沉积特性，重点关注呼吸道生物特征，如指环壁面特征、壁面蠕动和分泌物物性对沉积特性的影响。建立定量的流固耦合运动和沉积模型，研究呼吸道局部病变下，不同环境条件下呼吸过程中颗粒物在不同生物组织状态下的沉积特性。拟利用前期研究所建立的基于断层扫描技术重构的人体呼吸道复杂结构流道几何模型库，建立包括细小支气管和管壁特征等生物体细节的符合实际组织结构的计算模型，针对特定的大气环境，如城市中心高浓汽车尾气环境、高粉尘、核污染工作环境、良好空气质量环境等不同大气环境条件下开展研究；并利用PET和PIV技术开展实验研究。本研究可为人工干预可吸入颗粒在呼吸道内的分布、呼吸道造影技术，呼吸道特定部位标定等新技术提供基础依据，对呼吸道疾病的发病机理和早期诊断控制有重要意义。

可吸入颗粒物在人体呼吸道生物组织结构异变情况下的沉积特性的研究，是为人工干预可吸入颗粒在呼吸道内的分布、呼吸道造影技术，呼吸道特定部位标定等新技术提供基础依据，对呼吸道疾病的发病机理和早期诊断控制有重要意义，也对生物体内气固两相流这一新兴的交叉学科研究有重要的意义。本项目开展了人体呼吸道几何模型的进一步完善工作，利用计算机 X射线断层摄影术（ CT）的数据采集和图像图形识别转换技术，对完整呼吸道进行系统几何模型的重构，得到包括人体呼吸道局部变异的新的人体呼吸道几何模型，建立了包含细化的正常和具有病变组织完整真实呼吸道几何模型库数据库系统，积累了解剖结构的几何特征参数。建立了包含不同部位、不同几何形状，不同几何尺寸的鼻腔、人体咽喉及上呼吸道局部变异的系列几何模型；开展了人体呼吸道气流和颗粒运动沉积的数学物理模型建立工作，建立了人体呼吸道局部病变时的复杂呼吸道系统内的数学物理模型，模型包括气流和颗粒运动和沉积模型。研究了不同鼻腔内部局部变异时，在三种不同呼吸强度下鼻腔内部呼吸气流运动和颗粒沉积的规律和不同鼻腔内部局部变异时，在三种不同呼吸强度下，不同的颗粒浓度变化对鼻腔内部呼吸气流运动和颗粒沉积的影响；考虑不同几何形状，不同几何尺寸的鼻腔局部变异时的情况，研究考虑了呼吸道的壁面条件模型；开展了算法研究，针对人体呼吸道局部病变时的复杂呼吸道系统在三维数据提取筛选和重构引入了新的算法，采用流形谱聚类的方法对真实人体呼吸道三维特征进行分类和识别, 降低了分析复杂度。采用稀疏表征法对数值计算中的海量数据进行了有效处理，采用ISOMAP非线性流形学习的降维方法对三维特征进行数据降维, 从而使人体呼吸道局部病变时的复杂呼吸道系统的复杂原始数据投影到低维子空间上进行后续处理。采用非连续Galerkin 方法，对人体呼吸道局部病变时的复杂呼吸道系统的流动特性进行了理论研究，并与数值计算进行了对比。比原来有的计算可吸入颗粒在呼吸道内的运动沉积特性的大涡模型和层流模型，以及计算颗粒运动的欧拉 -拉格朗日方法的基础上，提高了计算效率，得到满足完整呼吸道内不同区域的流动特征的计算理论，提高数值计算的准确度、稳定性和效率。